從石器時(shí)代原始部落的祭師對(duì)靈魂的崇拜，到中世紀(jì)后期哲人對(duì)大腦意識(shí)的產(chǎn)生溯源，到近代解刨學(xué)家發(fā)現(xiàn)井然有序的大腦功能分區(qū)，再到20世紀(jì)初Santiago Cajal得到了人類第一張清晰的大腦皮層神經(jīng)元的照片，直至現(xiàn)在神經(jīng)學(xué)家通過(guò)電生理，電子顯微鏡，光學(xué)顯微鏡等手段，在亞細(xì)胞，分子，基因水平對(duì)大腦的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行研究，神經(jīng)科學(xué)(neurosciences)這一門古老的學(xué)科，直至今日，仍然是全世界投入最大，最活躍的科學(xué)研究領(lǐng)域之一。

　　限制科學(xué)家去理解和探索大腦的最主要因素是技術(shù)。每一次神經(jīng)領(lǐng)域的重大突破，都是以技術(shù)的一次次革命與飛躍作為基礎(chǔ)隨之而來(lái)。19世紀(jì)末高爾基染色和尼斯染色技術(shù)的發(fā)明，使得單個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)得意完整清晰的呈現(xiàn)，并由現(xiàn)代神經(jīng)學(xué)之父圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾(Santiago Ramon y Cajal,1852-1934)總結(jié)并開(kāi)創(chuàng)了神經(jīng)元理論，至今仍是現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)體層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、經(jīng)顱多普勒(TCD)、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層(SPECT)、正電子發(fā)射斷層掃描(PET)等無(wú)創(chuàng)性影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得人類對(duì)大腦整體水平結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)不斷提高，并且對(duì)于大腦創(chuàng)傷和疾病的治療提供了有利的參考工具。在實(shí)驗(yàn)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，以模式動(dòng)物作為研究對(duì)象，避免了把人作為研究對(duì)象在有創(chuàng)，改造等倫理方面的限制，使得更多的技術(shù)手段得以大顯身手。其中包括電生理學(xué)方面，腦電圖(EEG)，多電極記錄(MER)，膜片鉗技術(shù)(patch clamp)等技術(shù)的發(fā)明和有效使用，得以使科學(xué)家在亞微米空間尺度(單個(gè)神經(jīng)突觸連接)，亞毫秒時(shí)間尺度(單次神經(jīng)沖動(dòng)電位)對(duì)神經(jīng)元的功能進(jìn)行研究。而最令人激動(dòng)人心的是，近幾年來(lái)蓬勃發(fā)展的光學(xué)顯微成像技術(shù)，給實(shí)驗(yàn)神經(jīng)科學(xué)帶來(lái)了很多前所未有的思路和成果。2008年錢永健等人由于熒光蛋白(GFP，綠色熒光蛋白)的發(fā)現(xiàn)和使用，獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，是對(duì)熒光成像技術(shù)的一次巨大肯定和推動(dòng)。光學(xué)成像本身具有高分辨率、高通量(高速)、非侵入、非毒性等特點(diǎn)，再與熒光蛋白以及熒光染料等標(biāo)記物在細(xì)胞中的定位與表達(dá)技術(shù)相結(jié)合，使得科學(xué)家可以特異性的分辨生物體乃至細(xì)胞內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)與成分，并且能夠在生命體和細(xì)胞仍具有活性的狀態(tài)下(活體狀態(tài))對(duì)其功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。這就使得熒光成像技術(shù)成為了無(wú)可替代的，生物學(xué)家現(xiàn)今最為重要的技術(shù)手段之一。而隨著近些年來(lái)各種新型的顯微技術(shù)的出現(xiàn)，共聚焦顯微鏡(confocal microscopy)，相干拉曼成像(CARS)，超分辨率顯微技術(shù)(super-resolution microscopy)，光片顯微技術(shù)(lightsheet microscopy)等使得熒光顯微鏡的分辨率，速度，成像深度等進(jìn)一步提高。

　　對(duì)于熒光成像技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)中應(yīng)用，離不開(kāi)雙光子熒光顯微鏡(Two-photon Microscopy，簡(jiǎn)稱TPM)1。目前，大多數(shù)細(xì)胞生物學(xué)，生理學(xué)研究主要還是在離體培養(yǎng)的細(xì)胞體系中研究。然而與細(xì)胞生物學(xué)研究有所不同的是，大腦的功能研究的整體性和原位性顯得更加關(guān)鍵：僅研究分離的神經(jīng)元無(wú)法解釋神經(jīng)系統(tǒng)的功能和規(guī)律。換句話說(shuō)，必須要求神經(jīng)元處在其正常生存的大腦環(huán)境中才能使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，大腦是一個(gè)高度復(fù)雜的器官。即使是小鼠的大腦皮層也有將近1mm的厚度，海馬，丘腦等深腦區(qū)核團(tuán)更是深達(dá)3-5mm2，而且并不透明，充滿了數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元胞體和突觸，此外還有豐富的血管，粘膜(腦膜)，最外層還有厚厚的顱骨和頭皮包裹。使用包括共聚焦顯微鏡在內(nèi)的傳統(tǒng)的熒光顯微鏡，由于被觀測(cè)的信號(hào)會(huì)受到樣本組織的散射和吸收，根本無(wú)法穿透如此深的組織進(jìn)行成像。而雙光子顯微鏡的發(fā)明，則為此類研究帶來(lái)了希望。雙光子顯微鏡特有的非線性光學(xué)特性，再加上其工作波長(zhǎng)處在紅外區(qū)域等特點(diǎn)，令其在生物體組織內(nèi)的穿透深度大大提高3，使得雙光子顯微鏡成為神經(jīng)科學(xué)家進(jìn)行活體神經(jīng)成像最理想的工具。神經(jīng)動(dòng)作電位(action potential)本身很難被光學(xué)信號(hào)捕獲，但是動(dòng)作電位產(chǎn)生的去極化會(huì)引起神經(jīng)元Ca2+濃度的變化(鈣內(nèi)流現(xiàn)象)。科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種Ca離子濃度的熒光探針，進(jìn)而通過(guò)這種鈣離子濃度的變化引起的熒光信號(hào)的變化來(lái)反映出神經(jīng)活動(dòng)。于是，雙光子顯微鏡與在體的神經(jīng)元Ca離子濃度指示劑標(biāo)記技術(shù)相結(jié)合，碰撞出了耀眼的火花: 使得人們可以研究處于生理狀態(tài)時(shí)的動(dòng)物大腦內(nèi)的神經(jīng)元活動(dòng)4。

　　大腦的最重要功能是對(duì)生物體的行為活動(dòng)進(jìn)行調(diào)控，而反過(guò)來(lái)，最能反應(yīng)大腦工作狀態(tài)的同樣是生物體的行為活動(dòng)。所以說(shuō)，為了了解大腦，研究者不僅要求在體狀態(tài)下對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行高分辨率觀測(cè)，而且也希望生物體在被觀測(cè)的階段里，能夠進(jìn)行正常的行為活動(dòng)。所以，在成像技術(shù)不斷地提高分辨率和速度等性能的同時(shí)，科學(xué)家們也在積極開(kāi)改進(jìn)和革這些成像技術(shù)手段，使其進(jìn)行成像時(shí)盡可能小的限制被觀測(cè)對(duì)象的行為活動(dòng)，以求得到最接近生理狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。但是這一目標(biāo)始終存在諸多的技術(shù)瓶頸: 以嚙齒類動(dòng)物(大鼠或小鼠)神經(jīng)元的雙光子鈣成像為例。早些年由于動(dòng)物身體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的晃動(dòng)劇烈，而當(dāng)時(shí)雙光子顯微鏡成像速度又很低，所以科學(xué)家只能在麻醉狀態(tài)下對(duì)頭部固定的動(dòng)物進(jìn)行成像。后來(lái)隨著成像速度的提高，并且對(duì)開(kāi)顱手術(shù)技術(shù)的很大改進(jìn)，使得科學(xué)家可以在清醒狀態(tài)下對(duì)動(dòng)物的神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行觀察(仍然需要頭部固定)。近些年來(lái)，隨著基因改造技術(shù)的突飛猛進(jìn)，通過(guò)病毒轉(zhuǎn)染和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，在神經(jīng)元內(nèi)源性表達(dá)“基因編碼類鈣指示劑(genetically encoded calcium indicator, 簡(jiǎn)稱GECI)”成為神經(jīng)元鈣成像的大趨勢(shì)4。這種由神經(jīng)元自身產(chǎn)生鈣指示劑的方法與之前的鈣染料技術(shù)相比有著巨大的優(yōu)勢(shì): 信噪比提升了一個(gè)數(shù)量級(jí);對(duì)神經(jīng)元特異性好，可以區(qū)分不同的神經(jīng)元類型;并且可以在大腦神經(jīng)元內(nèi)持續(xù)表達(dá)數(shù)月(病毒轉(zhuǎn)染)甚至整個(gè)生命歷程(轉(zhuǎn)基因動(dòng)物)。于是，大概10年前開(kāi)始，科學(xué)家就開(kāi)始利用雙光子成像結(jié)合GECI技術(shù)對(duì)神經(jīng)元的活動(dòng)和結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行長(zhǎng)期的觀測(cè)和追蹤，從而對(duì)記憶的形成，神經(jīng)元病變等問(wèn)題有了更深入的認(rèn)識(shí)。其中，現(xiàn)在性能最好，使用最為廣泛的GECI為綠色熒光鈣調(diào)蛋白Gcamp家族4。目前已經(jīng)改進(jìn)到第六代，Gcamp6f，Gcamp6f已經(jīng)成為神經(jīng)成像里最受歡迎的指示劑之一。目前科學(xué)家最流行的對(duì)小動(dòng)物行為過(guò)程中大腦活動(dòng)進(jìn)行成像的方法，是將虛擬現(xiàn)實(shí)與雙光子成像相結(jié)合，在動(dòng)物頭部被固定的情況下，在其眼前制造影像，讓動(dòng)物認(rèn)為自己處在”真實(shí)“的環(huán)境之中5。通過(guò)小鼠四肢在類似跑步機(jī)或者鼠標(biāo)滾球上的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬其真實(shí)活動(dòng)。以求達(dá)到研究神經(jīng)元在動(dòng)物行為中所起到的作用(如圖1)。

　　然而，這種虛擬現(xiàn)實(shí)加頭部固定成像的方法，已經(jīng)遭到許多科學(xué)家的質(zhì)疑。人們認(rèn)為，頭部固定的動(dòng)物在實(shí)驗(yàn)期間一直處在物理約束和情緒壓力下，因此無(wú)法證明神經(jīng)元對(duì)外界的響應(yīng)在虛擬現(xiàn)實(shí)和自由探索下是等價(jià)的。更重要的是，許多社會(huì)行為，比如親子護(hù)理，交配和戰(zhàn)斗，都不能用頭部固定的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究。如何在動(dòng)物自由活動(dòng)的時(shí)候，直接對(duì)其神經(jīng)元進(jìn)行成像，是神經(jīng)科學(xué)家還未能得到解決終極的訴求。

　　一個(gè)理想的解決方案是開(kāi)發(fā)微型熒光顯微鏡直接固定在自由活動(dòng)的動(dòng)物身上，讓動(dòng)物“帶著顯微鏡跑”6。這種嘗試大概從20年前開(kāi)始。起初，科學(xué)家只是將一根或幾根光纖插到小鼠頭上，用以激光導(dǎo)入和熒光信號(hào)采集。然而，這種方式而只是記錄某個(gè)區(qū)域內(nèi)信號(hào)的總和，不具有空間分辨率，算不上真正意義上的成像。在最近的十幾年里，由于光學(xué)，電子，材料技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始嘗試研制真正意義上的微型顯微鏡。其中，微型單光子寬場(chǎng)顯微鏡(miniature wide-field microscope)，由于其原理與結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，是目前人們主要嘗試研制的微型顯微鏡技術(shù)。例如由Ghosh及其同事開(kāi)發(fā)的顯微鏡，通過(guò)將小型LED光源，微型CCD和自聚焦透鏡整合到一個(gè)小于25px3的框架之中，研制出了一個(gè)重量為1.9g的微型寬場(chǎng)顯微鏡。該技術(shù)被用于研究大腦海馬區(qū)place cell等與記憶和本能相關(guān)的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中7。然而，寬場(chǎng)成像方式由于不能很好的對(duì)離焦區(qū)域的背景信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，并且對(duì)光的散射敏感，所以其無(wú)法達(dá)到細(xì)胞分辨率。更難以對(duì)更精細(xì)的諸如樹(shù)突，軸突，樹(shù)突棘等結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。所以一直難以達(dá)到神經(jīng)科學(xué)家滿意。

　　于是，從大概15年前開(kāi)始，世界上一些研究和開(kāi)發(fā)雙光子成像技術(shù)的研究組開(kāi)始嘗試將雙光子顯微鏡這種在神經(jīng)成像領(lǐng)域已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)行微型。然而，目前只有為數(shù)不多的幾個(gè)課題組報(bào)道了他們?cè)谖⑿碗p光子顯微鏡研制方面的進(jìn)展: 在2001年，Denk等的工作被認(rèn)為是研制微型雙光子顯微鏡的第一步8。然而，它仍然太過(guò)“巨大”(長(zhǎng)7.5厘米，重25克)，而且成像速度很慢(2 Hz 128x128的尺寸下速度為2 Hz， 512x512的尺寸下為0.5 Hz，如圖2a)。之后，其他一些課題組相繼報(bào)道了不同的微型雙光子系統(tǒng)。 Helmchen課題組在2008年報(bào)道了他們的微型雙光子系統(tǒng)，僅重0.9克9。它實(shí)現(xiàn)了512X512幅面下的8 fps的成像速度速度，并展示了利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的大鼠在體鈣成像信號(hào)。然而，從展示的效果來(lái)看，其空間分辨率極低，而且并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的自由運(yùn)動(dòng)下的成像(如圖2b)。Mark Schnitzler課題組在2009年也發(fā)表了他們的微型雙光子系統(tǒng)10。他們的系統(tǒng)首次使用了微機(jī)電掃描鏡(MEMS)來(lái)進(jìn)行掃描，并將Z聚焦模塊集成在了探頭之中(如圖2c)。但是掃描頻率仍然很低(400x135約為4Hz);空間分辨率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求(橫向1.29 μm，軸向10.3 μm)。這些方面限制了其在神經(jīng)元細(xì)胞核亞細(xì)胞水平成像中的應(yīng)用。 Kerr課題組在2009年展示了它們的系統(tǒng)11，跟之前的微型雙光子顯微鏡相比較，由于應(yīng)用了微型透鏡組構(gòu)成的微型物鏡(NA達(dá)到了0.9)，這套系統(tǒng)的空間分辨率更高。然而，這套探頭的重量也隨之提高(5.5g)。此外，由于其仍然使用振動(dòng)光纖的方式來(lái)進(jìn)行掃描，所以其成像速度仍然比較慢。(對(duì)于64x64為10.9Hz，對(duì)于理論上的512x512為1.25Hz)(如圖2d)。此外，還有一個(gè)之前所有的微型雙光子系統(tǒng)都沒(méi)有解決的問(wèn)題。由于微型雙光子顯微鏡一般需要利用光纖將飛秒激光導(dǎo)入到探頭之中，而光纖由于存在諸如色散、截至模式、導(dǎo)通帶寬等一系列限制，所以某一款光纖一般只允許一定帶寬(一般為幾十納米)和特定中心波長(zhǎng)的光傳播。那就需要在制作微型顯微鏡的時(shí)候，結(jié)合使用的熒光指示劑所需要的激光波長(zhǎng)對(duì)光纖進(jìn)行選擇。但是，目前商業(yè)化的，可以用來(lái)進(jìn)行飛秒光傳輸?shù)目招墓庾泳w光纖(hollow-core Photonic Crystal Fiber， HC-PCF)種類非常有限。例如，全球最大的光子晶體光纖生產(chǎn)商N(yùn)KT公司僅提供中心波長(zhǎng)為800nm，1030nm，1300nm和1550nm的HC-PCF。所有現(xiàn)有的微型雙光子顯微成像系統(tǒng)都是基于這幾款光纖所限定的中心波長(zhǎng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。但是很遺憾的是，本文上述所提到的目前最廣泛使用的GcamP指示劑需要920 nm的激光進(jìn)行激發(fā)。所以先前的所有微型雙光子都不能對(duì)Gcamp進(jìn)行有效的成像。這限制了微型雙光子顯微鏡的發(fā)展。

　　之所以這些早期的微型化雙光子顯微鏡都無(wú)法得到真正的使用和推廣，其原因在于，若要制造出具有實(shí)用價(jià)值的微型雙光子顯微鏡，比研制單光子微型顯微鏡復(fù)雜和困難的多得多。微型雙光子顯微鏡需要需要解決如下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題：

　　1 如何將飛秒激光有效的導(dǎo)入微型顯微鏡;

　　2 如何在微型顯微鏡內(nèi)進(jìn)行掃描/圖像重建;

　　3 如何在微型顯微鏡中進(jìn)行高質(zhì)量的激光匯聚，高效激發(fā)雙光子信號(hào)。

　　4 如何有效的對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行收集;

　　5 如何使整個(gè)系統(tǒng)在動(dòng)物劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)仍保持穩(wěn)定

　　6 在滿足前5項(xiàng)條件下，重量是否足夠輕，以致盡量小地對(duì)動(dòng)物的活動(dòng)造成影響;

　　本文作者所在的課題組，是由北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、動(dòng)態(tài)成像中心、生命科學(xué)學(xué)院、工學(xué)院聯(lián)合中國(guó)人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院組成跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)。我們?cè)诔毯推皆菏康膸ьI(lǐng)下，在國(guó)家自然科學(xué)基金委國(guó)家重大科研儀器研制專項(xiàng)《超高時(shí)空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)》的支持下，歷經(jīng)三年多的協(xié)同奮戰(zhàn)，成功研制了新一代高速高分辨微型雙光子熒光顯微鏡，并將其取名為FHIRM-TPM。原始論文于5月29日在線發(fā)表于自然雜志子刊Nature Methods (IF 25.3)12。在這項(xiàng)成果中，我們解決了上文所提及的早先微型化雙光子顯微鏡研制中存在的問(wèn)題，獲取了小鼠在自由行為過(guò)程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)清晰、穩(wěn)定的圖像。

　　新一代微型雙光子熒光顯微鏡體積小，重僅2.2克，適于佩戴在小型動(dòng)物頭部，通過(guò)顱窗實(shí)時(shí)記錄數(shù)十個(gè)神經(jīng)元、上千個(gè)神經(jīng)突觸的動(dòng)態(tài)信號(hào)。在大型動(dòng)物上，還可望實(shí)現(xiàn)多探頭佩戴、多顱窗不同腦區(qū)的長(zhǎng)時(shí)程觀測(cè)。相比單光子激發(fā)，雙光子激發(fā)具有良好的光學(xué)斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢(shì)，所以成像質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于目前領(lǐng)域內(nèi)主導(dǎo)的、美國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃核心團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的微型化寬場(chǎng)顯微鏡。其橫向分辨率達(dá)到0.65μm，與商品化大型臺(tái)式雙光子熒光顯微鏡可相媲美;采用雙軸對(duì)稱高速微機(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)，成像幀頻已達(dá)40Hz(256*256像素)，同時(shí)具備多區(qū)域隨機(jī)掃描和每秒1萬(wàn)線的線掃描能力。最為重要的是，F(xiàn)HIRM-TPM克服了先前限微型雙光子顯微鏡應(yīng)用的兩個(gè)障礙。首先，我們定制設(shè)計(jì)的HC-PCF為 920納米飛秒激光脈沖提供了無(wú)畸變傳輸，這種改進(jìn)讓有效的激發(fā)例如Thy1-GFP和GCaMP-6f等常用熒光指示劑成為可能。第二，由于雙光子點(diǎn)掃描顯微鏡的高空間分辨率和層切能力，安裝到動(dòng)物頭上的微型雙光子顯微鏡非常容易受到運(yùn)動(dòng)偽影的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了充分的優(yōu)化：(a)使用柔軟的新型光纖束SFB來(lái)使得動(dòng)物運(yùn)動(dòng)引起的扭矩和拉拽力最小化，并不降低光子收集效率; (b)采用獨(dú)立的可旋轉(zhuǎn)連接器來(lái)連接光學(xué)探頭上的光纖和電線，以使動(dòng)物在自由探索期間線的扭曲和纏繞最小化;(c)使用高速成像以減少運(yùn)動(dòng)引起的幀內(nèi)模糊。此外，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)之前預(yù)先訓(xùn)練動(dòng)物適應(yīng)安裝在其頭骨上的微型顯微鏡，并滴加1.5%低熔點(diǎn)瓊脂糖使其充滿物鏡和腦組織之間，這些措施都顯著降低了探頭與大腦之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改善了實(shí)驗(yàn)短期和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，于是實(shí)現(xiàn)了在動(dòng)物進(jìn)行包含大量身體和頭部運(yùn)動(dòng)的行為學(xué)試驗(yàn)中中進(jìn)行高分辨率成像。

　　樹(shù)突棘活動(dòng)是神經(jīng)元信息處理的基本事件，利用臺(tái)式雙光子顯微鏡在頭固定的動(dòng)物上的研究表明單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的不同樹(shù)突棘可以被不同朝向的視覺(jué)刺激或不同強(qiáng)度頻率的聲音刺激所激活。FHIRM-TPM實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)的大型的臺(tái)式雙光子顯微鏡相同的分辨率和光學(xué)層切能力。與微型寬場(chǎng)顯微鏡相比，F(xiàn)IRM-TPM的高空間分辨率，固有的光學(xué)切片能力和組織穿透能力以及相當(dāng)?shù)臋C(jī)械穩(wěn)定性都是極有優(yōu)勢(shì)的。所以雖然通過(guò)微型寬場(chǎng)顯微鏡可以獲得數(shù)百個(gè)神經(jīng)元在細(xì)胞水平上的活動(dòng)，但是我們的 FHIRM-TPM無(wú)疑提供了一個(gè)更加強(qiáng)大的工具，即在自由活動(dòng)的動(dòng)物中對(duì)更加基本的神經(jīng)編碼單位——樹(shù)突棘的時(shí)空特性進(jìn)行觀測(cè)。它能夠在對(duì)小鼠依次進(jìn)行的行為學(xué)試驗(yàn)(例如懸尾，跳臺(tái)，以及社交行為)的過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間觀察位大腦中的神經(jīng)元胞體、樹(shù)突和樹(shù)突棘的活動(dòng)。這些功能的展示充分證明了FHIRM-TPM具有良好的性能和穩(wěn)定性。未來(lái)，與光遺傳學(xué)技術(shù)的結(jié)合，可望在結(jié)構(gòu)與功能成像的同時(shí)，精準(zhǔn)地操控神經(jīng)元和大腦神經(jīng)回路的活動(dòng)。微型雙光子熒光顯微鏡整機(jī)性能十分穩(wěn)定，可用于在動(dòng)物覓食、跳臺(tái)、打斗、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，或者在學(xué)習(xí)前、學(xué)習(xí)中和學(xué)習(xí)后，長(zhǎng)時(shí)程觀察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動(dòng)態(tài)變化。

　　從2001年Denk發(fā)表第一篇微型雙光子顯微鏡的原型機(jī)以來(lái)，微型雙光子顯微鏡的發(fā)展已經(jīng)走過(guò)了15年的時(shí)間。15年的發(fā)展歷程，微型雙光子顯微鏡從最開(kāi)始的25克笨重的身軀，只能在分離的組織中進(jìn)行驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)8到如今重量?jī)H兩點(diǎn)幾克重，可以對(duì)自由活動(dòng)的小鼠神經(jīng)元進(jìn)行樹(shù)突棘級(jí)別的成像，可以說(shuō)取得了一定的進(jìn)步。然而，在看到這個(gè)領(lǐng)域取得的成就的同時(shí)，也應(yīng)看到，至今為止，微型雙光子顯微鏡還未像共聚焦顯微鏡或者是熒光光片顯微鏡一樣被生物學(xué)家廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。而后者(光片顯微鏡)的發(fā)展時(shí)間更短(2008年Science的一篇文獻(xiàn)一般被認(rèn)為是現(xiàn)代熒光光片顯微鏡鏡的開(kāi)端13)。究其原因，除了技術(shù)本身的限制以外，整個(gè)研究領(lǐng)域的氣氛和投入，也是重要的影響因素之一。

　　縱觀這15年來(lái)微型雙光子顯微鏡的發(fā)展道路，開(kāi)疆拓土者有之;改革創(chuàng)新者有之;另辟蹊徑者有之;渾水摸魚(yú)、指鹿為馬者亦有之。然而遺憾的是，愿意心無(wú)旁騖、全情投入者鮮有之;有意愿和能力建立為這個(gè)研究的領(lǐng)域建立范式者亦鮮有之。而中國(guó)，在不久前在這個(gè)領(lǐng)域基本上屬于完全的空白。更不要說(shuō)什么領(lǐng)先世界。

　　然而令人十分興奮的是，中國(guó)國(guó)家基金委國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)在2014年正式將“超高時(shí)空分辨微型雙光子在體顯微成像系統(tǒng)”立項(xiàng)。以5年七千兩百萬(wàn)人民幣的研究經(jīng)費(fèi)對(duì)這一項(xiàng)“世界上做的還并不怎么好，中國(guó)基本沒(méi)人做過(guò)”的技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研發(fā)。這樣的大力投入無(wú)疑為這一領(lǐng)域注入了新鮮血液和十足動(dòng)力。而我也有幸在博士五年期間全程參與了這個(gè)項(xiàng)目的工作。從2012年來(lái)到該項(xiàng)目首席負(fù)責(zé)人程和平院士和陳良怡研究員的聯(lián)合課題組至今，我見(jiàn)證了這個(gè)項(xiàng)目從無(wú)到有，團(tuán)隊(duì)從幼小稚嫩到壯大成熟的整個(gè)過(guò)程。如今，我們有了初步的成果，不僅讓我們這樣一支完全由中國(guó)本國(guó)科研工作者建立的團(tuán)隊(duì)在世界上處在了較為領(lǐng)先的位置，同時(shí)也把這個(gè)領(lǐng)域向前推動(dòng)了一些，我感到無(wú)比激動(dòng)和自豪。

　　該成果在2016年底美國(guó)神經(jīng)科學(xué)年會(huì)、2017年5月冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會(huì)議上報(bào)告后，得到包括多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外神經(jīng)科學(xué)家的高度贊譽(yù)。冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會(huì)議主席、美國(guó)著名神經(jīng)科學(xué)家加州大學(xué)洛杉磯分校的Alcino J Silva教授在評(píng)述中寫道，“從任何一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，這款顯微鏡都代表了一項(xiàng)重大技術(shù)發(fā)明，必將改變我們?cè)谧杂苫顒?dòng)動(dòng)物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式。它所開(kāi)啟的大門，甚至超越了神經(jīng)元和樹(shù)突成像。系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)正在進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，即通過(guò)對(duì)細(xì)胞群體中可辨識(shí)的細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜生物學(xué)事件進(jìn)行成像觀測(cè)，從而更加深刻地理解進(jìn)化所造就的大腦環(huán)路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜行為的核心工程學(xué)原理。毫無(wú)疑問(wèn)，這項(xiàng)非凡的發(fā)明讓我們向著這一目標(biāo)邁進(jìn)了一步。”